EP0661524B1 - Faseroptischer Transmissionssensor mit Modulator - Google Patents

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EP0661524B1
EP0661524B1 EP94810697A EP94810697A EP0661524B1 EP 0661524 B1 EP0661524 B1 EP 0661524B1 EP 94810697 A EP94810697 A EP 94810697A EP 94810697 A EP94810697 A EP 94810697A EP 0661524 B1 EP0661524 B1 EP 0661524B1
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light
fiber
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Markus Dr. Meier
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    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation
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    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35341—Sensor working in transmission
    • G01D5/35351—Sensor working in transmission using other means to detect the measured quantity

Definitions

  • the invention is based on a fiber optic Transmission sensor with modulator according to the generic term of Claim 1.
  • ⁇ / 4 plate that will Light back into the linear polarization state transformed back.
  • the direction of polarization of the emerging light is parallel to that of the entering.
  • the light is transmitted through the two HB glass fibers returned and in a transmitter-evaluation unit in a first Branch and combined via an input polarizer decoupled a second branch from the input light path.
  • This Sagnac current sensor is the phase difference of the two light beams measured by interference formation.
  • a phase modulator e.g. B. by Stick a wound part of the HB glass fiber on a piezoelectric element, by which both light beams are phase modulated.
  • the phase of the two Light rays are not modulated in the same cycle.
  • a Analysis of the periodic change in the interference signal provides a DC and an AC component of the Modulation frequency, which parts by a Relationship formation are evaluated, as well as higher Harmonic.
  • the length of the sensor fiber is with the strength and the frequency of the phase modulation.
  • One of 2 independent light beams is used as a reference for the others used.
  • the signal evaluation is relative with this type of sensor complex.
  • the invention as defined in claim 1 solves the task of a fiber optic transmission sensor with such a modulator of the type mentioned further develop that easier signal evaluation becomes possible.
  • An advantage of the invention is a comparative one simple construction of the light transmission path from one Light source to the fiber optic sensor. A temperature dependent Rotation of twisted fiber spools can be compensated become.
  • the invention is described below using an exemplary embodiment explained.
  • the only figure shows schematically one Light transmission from a light source via HB light fibers into a sensor fiber.
  • a monochromatic light source (1) preferably from a laser diode
  • monochromatic light is emitted a monochromator, not shown, in a polarization-maintaining, strongly birefringent so-called HB light fiber or feed optical fiber (2) with two optical Major axes, d. H. with a first and second orthogonal to it main optical axis, coupled.
  • HB light fiber or feed optical fiber (2) with two optical Major axes, d. H. with a first and second orthogonal to it main optical axis, coupled.
  • the main axis of the feed glass fiber (2) is the Speed of propagation of light is greater than in the second main optical axis.
  • the direction of polarization of the from the light source (1) to be coupled parallel to one of the two main optical axes of the Lead fiber (2).
  • an optical coupling point or splice point (3) is the feed optical fiber (2) with a polarization-maintaining, highly birefringent HB optical fiber or first reference light fiber (4) with two optical Major axes, d. H. with a first and second orthogonal to it main optical axis optically connected, the two main optical axes of the first reference optical fiber (4) opposite the two main axes of the feed optical fiber (2) are rotated by 45 °.
  • another splice (5) is the first reference optical fiber (4) with one under construction same second reference optical fiber (6) connected, however the two main optical axes of the first reference optical fiber (4) opposite the two main axes of the second Reference optical fiber (6) are rotated by 90 °.
  • the first Reference optical fiber (4) has the same length (1) as the second Reference fiber (6).
  • the second reference optical fiber is in a third splice point (7) (6) with a low birefringent so-called.
  • LB optical fiber or optical fiber (8) optically connected.
  • the optical fiber (8) first forms a ⁇ / 4 light guide loop (9) and then in several loops an optical sensor (10) or Faraday sensor e.g. B. for the detection of a current through a Power cable, not shown, in the interior of the Sensor loop (10).
  • An output (11) of the optical fiber (8) can with a polarimeter or another modulator or an HB optical fiber are in optical connection (not shown).
  • (12) is a vibration level of the from the light source (1) emerging light parallel to a major axis of the Lead fiber (2) designated.
  • (13) denotes one Vibration level of the light at the exit of the splice (3).
  • the fact that the two in the splice (3) coupled HB light fibers (2, 4) with respect to Light is turned in the direction of its main axes by 45 ° same amplitude in both polarization-maintaining Main axes coupled.
  • each polarization component has from the input of the first Reference optical fiber (4) practical at the splice (7) go through the same optical path, d. that is, the two Polarization components are coherent again.
  • the relative Phase is not exactly known; it depends on asymmetries in the two first and second reference light fibers (4, 6), d. H. of temperature and manufacturing fluctuations.
  • phase modulator you can Influence phase shift, either statically with a constant component or dynamic with a predefinable one Frequency.
  • the fiber optic transmission sensor according to the invention is as a polarization control element at the entrance of the LB light fiber (8) usable. It is controlled by the DC component of the phase modulator (M). With a weak frequency modulation can Better determine the direction of polarization. With a strong one Frequency modulation becomes phase modulation Faraday modulation causes.
  • phase modulators (M) can be the transfer matrix of the coil of the sensor optical fiber (10) determine.
  • a ⁇ / 4 light guide loop (9) e.g. B.
  • a ⁇ / 4 delay plate can be used.
  • the sensor optical fiber (10) a solid optical sensor could be used.

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem faseroptischen Transmissionssensor mit Modulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er durch Roland Stierlin, Faseroptische Sensoren, Bulletin SEV/VSE 82 (1991), S. 21 - 29, bekannt ist. Bei dem dort in Verbindung mit Bild 8 beschriebenen Sagnac-Sensortyp wird linear polarisiertes Laserlicht parallel in 2 HB-Lichtfasern (stark doppelbrechende Lichtfasern) zum Sensorkopf und von dort in zueinander entgegengesetzten Richtungen über 2 λ/4-Platten in die Sensorfaser geführt. Die beiden λ/4-Platten stehen unter 45° zur Richtung der linearen Polarisation in der jeweiligen HB-Faser, so daß von beiden Seiten rechtszirkular polarisiertes Licht in die Sensorfaser gelangt. Die Sensorfaser ist eine verdrillte LB-Glasfaser (niedrig doppelbrechende Glasfaser). Nach dem Durchgang durch die jeweils zweite. λ/4-Platte wird das Licht wieder in den linearen Polarisationszustand zurückverwandelt. Die Polarisationsrichtung des austretenden Lichtes ist dabei parallel zu derjenigen des eintretenden. Das Licht wird über die beiden HB-Glasfasern zurückgeführt und in einer Sende-Auswerteinheit in einem ersten Verzweiger vereinigt und über einen Eingangspolarisator in einem zweiten Verzweiger vom Eingangslichtpfad ausgekoppelt. Mit diesem Sagnac-Stromsensor wird der Phasenunterschied der beiden Lichtstrahlen durch Interferenzbildung gemessen. In einer HB-Glasfaser ist ein Phasenmodulator, z. B. durch Festkleben eines gewickelten Teiles der HB-Glasfaser auf einem piezoelektrischen Element, angebracht, durch den beide Lichtstrahlen phasenmoduliert werden. Durch den Laufzeitunterschied, der dadurch entsteht, daß der rechts und links umlaufende Lichtstrahl nicht zur gleichen Zeit den Modulator passieren, wird die Phase der beiden Lichtstrahlen nicht im gleichen Takt moduliert. Eine Analyse der perodischen Änderung des Interferenzsignals liefert einen Gleich- und einen Wechselstromanteil der Modulationsfrequenz, welche Anteile durch eine Verhältnisbildung ausgewertet werden, sowie höhere Harmonische. Die Länge der Sensorfaser ist mit der Stärke und der Frequenz der Phasenmodulation abgestimmt. Einer der 2 unabhängigen Lichtstrahlen wird als Referenz für den anderen verwendet.
Die Signalauswertung ist bei diesem Sensortyp relativ aufwendig.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen faseroptischen Transmissionssensor mit Modulator der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß eine einfachere Signalauswertung möglich wird.
Ein Vorteil der Erfindung besteht in einem vergleichsweise einfachen Aufbau der Lichtübertragungsstrecke von einer Lichtquelle zum Glasfasersensor. Eine temperaturabhängige Drehung von verdrillten Faserspulen kann dabei kompensiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Lichtübertragung von einer Lichtquelle über HB-Lichtfasern in eine Sensorfaser.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Von einer monochromatischen Lichtquelle (1), vorzugsweise von einer Laserdiode, wird monochromatisches Licht über einen nicht dargestellten Monochromator in eine polarisationserhaltende, stark doppelbrechende sog. HB-Lichtfaser bzw. Zuleitungslichtfaser (2) mit zwei optischen Hauptachsen, d. h. mit einer ersten und dazu orthogonalen zweiten optischen Hauptachse, eingekoppelt. In der ersten optischen Hauptachse der Zuleitungsglasfaser (2) ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes größer ist als in der zweiten optischen Hauptachse. Die Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle (1) einzukoppelnden Lichtes ist parallel zu einer der beiden optischen Hauptachsen der Zuleitungslichtfaser (2).
In einer optischen Kopplungsstelle bzw. Spleißstelle (3) ist die Zuleitungslichtfaser (2) mit einer polarisationserhaltenden, stark doppelbrechenden HB-Lichtfaser bzw. erste Referenzlichtfaser (4) mit zwei optischen Hauptachsen, d. h. mit einer ersten und dazu orthogonalen zweiten optischen Hauptachse optisch verbunden, wobei die beiden optischen Hauptachsen der ersten Referenzlichtfaser (4) gegenüber den beiden Hauptachsen der Zuleitungslichtfaser (2) um 45° gedreht sind. In einer weiteren Spleißstelle (5) ist die erste Referenzlichtfaser (4) mit einer im Aufbau gleichen zweiten Referenzlichtfaser (6) verbunden, wobei jedoch die beiden optischen Hauptachsen der ersten Referenzlichtfaser (4) gegenüber den beiden Hauptachsen der zweiten Referenzlichtfaser (6) um 90° gedreht sind. Die erste Referenzlichtfaser (4) hat die gleiche Länge (1) wie die zweite Referenzlichtfaser (6).
In einer dritten Spleißstelle (7) ist die zweite Referenzlichtfaser (6) mit einer niedrigdoppelbrechenden sogenannten. LB-Lichtfaser bzw. Lichtfaser (8) optisch verbunden. Die Lichtfaser (8) bildet zunächst eine λ/4-Lichtleiterschleife (9) und danach in mehreren Schleifen einen optischen Sensor (10) bzw. Faraday-Sensor z. B. zur Detektion eines Stromes durch ein nicht dargestelltes Stromkabel im Innenraum der Sensorschleife (10). Ein Ausgang (11) der Lichtfaser (8) kann mit einem Polarimeter oder einem weiteren Modulator oder einer HB-Lichtfaser in optischer Verbindung stehen (nicht dargestellt).
Mit (12) ist eine Schwingungsebene des aus der Lichtquelle (1) austretenden Lichtes parallel zu einer Hauptachse der Zuleitungslichtfaser (2) bezeichnet. (13) bezeichnet eine Schwingungsebene des Lichtes am Ausgang der Spleißstelle (3). Dadurch, daß die beiden in der Spleißstelle (3) miteinander gekoppelten HB-Lichtfasern (2, 4) bezüglich der Richtung ihrer Hauptachsen um 45° gedreht sind, wird Licht gleicher Amplitude in beide polarisationserhaltende Hauptachsen eingekoppelt. Die Schwingungsebenen des Lichtes an den Spleißstellen (5) und (7) sind mit (14) bzw. (15) bezeichnet.
Nach einer Länge (1) in der ersten Referenzlichtfaser (4) kann sich das Licht in einem unbestimmten Zustand befinden, d. h. partiell oder nicht kohärent sein. Da die Rollen der beiden Hauptachsen in der Spleißstelle (5) getauscht werden, hat jede Polarisationskomponente vom Eingang der ersten Referenzlichtfaser (4) an der Spleißstelle (7) praktisch den gleichen optischen Weg durchlaufen, d. h., die beiden Polarisationskomponenten sind wieder kohärent. Die relative Phase ist nicht genau bekannt; sie hängt von Asymmetrien in den beiden ersten und zweiten Referenzlichtfasern (4, 6) ab, d. h. von Temperatur- und Fabrikationsschwankungen.
Mit einem Phasenmodulator (M) kann man die Phasenverschiebung beeinflussen, entweder statisch mit einem Gleichanteil oder dynamisch mit einer vorgebbaren Frequenz.
Beim Eintritt der beiden Polarisationskomponenten in die λ/4-Lichtleiterschleife (9) wird eine Komponente in eine rechtszirkularpoarisierte und die andere in eine linkszirkularpolarisierte umgewandelt. Durch die relative Phase zwischen den beiden Polarisationskomponenten der zweiten Referenzlichtfaser (6), die man mit dem Phasenmodulator (M) beeinflussen kann, wird die Lage der linearen Polarisation, d. h. die Summe von rechts- und linkszirkularpolarisierten Komponenten, am Eingang der Lichtfaser (8) bestimmt.
Der erfindungsgemäße faseroptische Transmissionssensor ist als Polarisationsstellelement am Eingang der LB-Lichtfaser (8) verwendbar. Die Steuerung erfolgt durch die Gleichstromkomponente des Phasenmodulators (M). Mit einer schwachen Frequenzmodulation läßt sich die Polarisationsrichtung besser bestimmen. Mit einer starken Frequenzmodulation wird eine Phasenmodulation einer Faraday-Modulation bewirkt.
Wird der faseroptische Transmissionssensor am Ausgang der zweiten Referenzlichtfaser (6) (mit umgekehrter Reihenfolge der Lichtkomponenten) eingesetzt, so kann man bestimmen, welche Polarisationsrichtung am Ausgang (11) der Lichtfaser (8) symmetrisch auf das nicht dargestellte Polarimeter gelangt.
Mit zwei Phasenmodulatoren (M) (nicht dargestellt) läßt sich die Transfermatrix der Spule der Sensorlichtfaser (10) bestimmen.
Es versteht sich, daß anstelle einer λ/4-Lichtleiterschleife (9) z. B. eine λ/4-Verzögerungsplatte verwendet werden kann. Anstelle der Sensorlichtfaser (10) könnte ein massivoptischer Sensor verwendet werden.
BEZEICHNUNGSLISTE
1
Lichtquelle, Laserdiode
2
Zuleitungslichtfaser, HB-Lichtfaser
3, 5, 7
Speißstellen, optische Kopplungsstellen
4, 6
erste und zweite Referenzlichtfasern, HB-Lichtfasern
8
LB-Lichtfaser
9
λ/4-Verzögerungseinrichtung,
λ/4-Lichtfaserschleife
10
Sensorlichtfaser, optischer Sensor,
Sensorschleife
11
Ausgang von 8
12 - 15
Schwingungsebenen
l
Länge von 4 und 6
M
Phasenmodulator

Claims (5)

  1. Faseroptischer Transmissionssensor
    a) mit einer Lichtquelle (1),
    b) die über eine polarisationserhaltende, stark doppelbrechende ersten Referenzlichtfaser (4) mit einer ersten und dazu orthogonalen zweiten optischen Hauptachse, wobei in der ersten optischen Hauptachse die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes größer ist als in der zweiten optischen Hauptachse, und
    c) über eine polarisationserhaltende, stark doppelbrechende zweite Referenzlichtfaser (6) mit einer ersten und dazu orthogonalen zweiten optischen Hauptachse, wobei in der ersten optischen Hauptachse die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes größer ist als in der zweiten optischen Hauptachse, sowie
    d) über eine λ/4-Verzögerungseinrichtung (9) mit einem optischen Sensor (10) in optischer Verbindung steht,
    e) ferner mit mindestens einem Phasenmodulator (M), der mit einer der beiden ersten oder zweiten Referenzlichtfasern (4, 6) in Wirkverbundung steht,
    dadurch gekennzeichnet,
    f) daß die erste Referenzlichtfaser (4) die gleiche Länge (l) wie die zweite Referenzlichtfaser (6) aufweist und
    g) mit dieser um 90° gedreht optisch verbunden ist, derart, daß die erste optische Hauptachse der ersten Referenzlichtfaser (4) mit der zweiten optischen Hauptachse der zweiten Referenzlichtfaser (6) verbunden ist und die zweite optische Hauptachse der ersten Referenzlichtfaser (4) mit der ersten optischen Hauptachse der zweiten Referenzlichtfaser (6).
  2. Faseroptischer Transmissionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) über eine polarisationserhaltende, stark doppelbrechende Zuleitungslichtfaser (2) mit einer ersten und dazu orthogonalen zweiten optischen Hauptachse, wobei in der ersten optischen Hauptachse die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes größer ist als in der zweiten optischen Hauptachse, mit der ersten Referenzlichtfaser (4) bezüglich deren erster und zweiter optischen Hauptachsen um 45° gedreht optisch verbunden ist, derart, daß die erste und zweite optischen Hauptachsen der ersten Referenzlichtfaser (4) mit den ersten und zweiten optischen Hauptachsen der Zuleitungslichtfaser (2) einen Winkel von 45° bilden.
  3. Faseroptischer Transmissionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die λ/4-verzögerungseinrichtung (9) eine λ/4-Schleife einer niedrigdoppelbrechenden Lichtfaser (8) ist.
  4. Faseroptischer Transmissionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die λ/4-Verzögerungseinrichtung (9) mit der zweiten Referenzlichtfaser (6) optisch gekoppelt ist.
  5. Faseroptischer Transmissionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die λ/4-Verzögerungseinrichtung (9) und der optische Sensor (10) aus einer einzigen, niedrigdoppelbrechenden optischen Faser bestehen.
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